兩端臨空明挖深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征分析

■林 群

（中核華辰建筑工程有限公司， 莆田 351100）

深基坑是目前道路、橋梁工程中較為常見的工程對象，深基坑的開挖支護(hù)直接影響了深基坑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。 對于深基坑的研究目前已經(jīng)取得了較為豐碩的研究成果，路順等[1]通過理正深基坑計算軟件， 分析了某深基坑的地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、 變形及周邊地表沉降情況；鐘安德等[2]分析了某建筑物基坑采用的A 型鉆孔灌注樁、370 mm 磚擋墻、三道錨索組合形式的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析， 并建立實時有效的基坑監(jiān)測方案；陳江等[3]以軟土地區(qū)深基坑工程為研究對象，優(yōu)化了某內(nèi)支撐體系，采用PLAXIS 數(shù)值模擬軟件，建立了原方案和優(yōu)化方案模型，對比分析了兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性；趙群[4]分析了某地鐵項目深基坑的支護(hù)方案，對分區(qū)域支護(hù)體系以及先主后次分段施工基坑施工工序進(jìn)行了優(yōu)化，并結(jié)合實際工程驗證該方案的有效性；薛光橋[5]采用有限元的分析方法，分析了南京梅子洲青奧城地下空間工程基坑的內(nèi)力變形特征，主要包括：雙排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形機(jī)理、土壓力分布規(guī)律等；賴金星等[6]分析了某深基坑工程的臨近建筑物沉降、基坑水位、支撐軸力、地表沉降、 土層水平位移等參數(shù)特征以及基坑的穩(wěn)定性；田沖沖[7]對某深基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、基坑外地下水位、基坑周邊建筑和地表沉降、支撐軸力等進(jìn)行監(jiān)測分析，進(jìn)一步探討了基坑的穩(wěn)定性；劉帥君等[8]等采用土體HS 模型的數(shù)值分析方法對基坑開挖、回填施工進(jìn)行了分析。

基于前人的研究，本研究以白塘路某深基坑工程為研究對象，通過對該深基坑工程建立數(shù)值分析模型， 分析深基坑開挖回填過程中的水平位移、基坑豎向位移、地下連續(xù)墻水平位移量、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)軸力，進(jìn)而探討基坑的穩(wěn)定性。

1 工程概況

本研究以白塘路道路工程某深基坑工程為研究對象，該明挖基坑根據(jù)相關(guān)地質(zhì)勘測資料顯示該地的土層由下到上分布狀況為：中風(fēng)化灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、全風(fēng)化灰?guī)r、含碎石粉質(zhì)黏土、卵石、淤泥、素填土，各土層分布較為穩(wěn)定，縱斷面波動較小，且各土層無交叉，各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)該基坑的結(jié)構(gòu)形式、周邊環(huán)境、圖層分布、水文地質(zhì)分布以及場地的要求， 在滿足初始計算的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的需求下并結(jié)合實際工程經(jīng)驗，該基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式采用鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁、鋼支撐、混凝土墊層相結(jié)合的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，主要的支護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁，樁體與相鄰樁體之間的間距為1 000 mm； 鉆孔灌注樁樁間設(shè)置高壓旋噴樁進(jìn)行加固止水，高壓旋噴樁樁間距為1 000 mm。 研究的施工區(qū)段為垂直開挖段，鋼支撐設(shè)置形式為3 道支撐的結(jié)構(gòu)形式， 其中頂部的第1道支撐為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)，其余2 道支撐均為鋼支撐，在基坑底部澆筑C20 混凝土作為基坑墊層。

2 有限元模型建立

根據(jù)基坑實測參數(shù)建立三維數(shù)值分析模型，模型沿著縱向方向的長寬高分別為31.2 m×154.6 m×45.0 m， 基坑的長寬深度分別為31.2 m×28.6 m×12.25 m，模型中的臨空兩側(cè)鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁、 其他鉆孔灌注樁、 格構(gòu)柱的施作深度分別為15.0、8.0、8.0、13.8 m。 模型網(wǎng)格單元的劃分采用六面體網(wǎng)格單元劃分，并且依據(jù)地質(zhì)條件、應(yīng)力分布、變形特征對不同位置的單元密疏進(jìn)行設(shè)計，該模型共劃分319 418 個網(wǎng)格節(jié)點、414 110 個網(wǎng)格單元。對于模型單元的計算基于以下4 個假設(shè)見表2。

表2 模型基本假定

2.1 模型計算參數(shù)的選取

對于不同的邊界條件計算結(jié)果分析，采用不同的邊界條件位移場基本相同，因而對于邊界條件的選取采用無邊界效應(yīng)。 通過公式（1）等效慣性矩陣的轉(zhuǎn)化方法將鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁、格構(gòu)柱等結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為等效厚度的地連墻結(jié)構(gòu)。

式中：D 表示樁間間距；h 表示地下連續(xù)墻的厚度；d 表示樁體的直徑。

對于網(wǎng)格單元的選取，隧道結(jié)構(gòu)、角支撐、地下連續(xù)墻采用實體網(wǎng)格單元進(jìn)行模擬， 鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁、格構(gòu)柱、冠梁、支撐結(jié)構(gòu)等采用1D 網(wǎng)格單元進(jìn)行模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)取值見表3?；幽Ｐ推矫娌贾靡妶D1。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)

圖1 基坑模型平面布置

2.2 深基坑開挖步驟分析

基坑開挖模擬共有10 個開挖步驟， 每個施工工序?qū)?yīng)的施工內(nèi)容見表4。

表4 開挖步驟分析

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)基坑設(shè)計指標(biāo)的確定，基坑等級為1 級。

3.1 基坑整體變形及受力分析

3.1.1 基坑水平位移分析

基坑開挖過程中，基坑周邊的土體又向基坑內(nèi)部移動的變化趨勢，基坑開挖完成后土體的水平位移云圖見圖2。 基坑開挖過程中的水平位移平均值約為0.7 mm，表明在基坑開挖過程中，基坑開挖支護(hù)施工對周邊環(huán)境的影響較小，基坑周邊土體的水平位移值均小于最大界限值。 在回填完成后，周邊土體的水平位移值均小于1 mm，處于較低水平。

圖2 基坑開挖完成后水平位移云圖

在基坑開挖完成后，基坑周邊土體的水平位移值最大值出現(xiàn)在左側(cè)地下連續(xù)墻底部位置處，位移值為4.60 mm， 右側(cè)地下連續(xù)墻底部水平位移值為4.58 mm。

3.1.2 基坑豎向位移分析

從圖3 可知，基坑在開挖過程中，基坑底部的變形主要表現(xiàn)為基坑底部的隆起變形，同時，當(dāng)基坑開挖至基坑底部位置時，基坑的豎向隆起位移值最大，最大隆起位移值為32 mm，且在基坑底部以下，距離基坑底部距離越遠(yuǎn)，隆起值越小，當(dāng)距離基坑底部距離大于8 m 時，基坑隆起量保持在10 mm以內(nèi)，隆起值較小，表明在基坑底部深度較深的位置，基坑開挖不會引起這部分土體較大的豎向位移及隆起變形。

圖3 開挖完成后的豎向位移云圖

從圖4 可知，基坑在回填過程中，由于在基坑底部施工了一層混凝土墊層，基坑的底部隆起變形值較小，表明施工的混凝土墊層對基坑底部變形的抑制作用明顯，對基坑起到封閉的作用，提高了基坑的整體性，在回填完成后基坑的隆起變形最大值為14.0 mm，變形值小于限制值。

圖4 回填完成后的豎向位移云圖

3.2 地下連續(xù)墻水平位移量分析

地下連續(xù)墻的截面示意圖見圖5， 地下連續(xù)墻水平位移量的分析主要是分析地下連續(xù)墻的兩個截面：L-1、L-2。 基坑開挖到回填的過程中，L-1、L-2地下連續(xù)墻的水平位移值見圖6～7，由L-1、L-2 地下連續(xù)墻的水平位移值變化曲線可知，在基坑開挖過程中，基坑水平位移值逐漸增大，當(dāng)開挖深度至第2、3 道鋼支撐時，基坑支撐結(jié)構(gòu)上下的水平位移值增加量小于基坑的其他位置處，且在該位置附近時，基坑兩側(cè)臨空的地下連續(xù)墻呈現(xiàn)出向基坑內(nèi)部移動的變化趨勢，當(dāng)開挖深度為第3 道鋼支撐位置時，L-1 位置處地下連續(xù)墻的水平位移值最大，最大值為3.50 mm，當(dāng)澆筑邊墻位置時，L-2 位置處地下連續(xù)墻的水平位移值最大， 最大值為4.0 mm，對比不同位置的水平位移值可以發(fā)現(xiàn)，L-2 位置處地下連續(xù)墻受到外側(cè)土體的壓力值相較于兩端大，因而地下連續(xù)墻中部位置的土體的壓力值、水平方向位移值相較于兩端大，在土體回填的過程中，地下連續(xù)墻的水平位移值有所下降，這種變化規(guī)律與墻體彈性變形規(guī)律相符結(jié)合。

圖5 地下連續(xù)墻的截面示意圖

圖6 L-1 地下連續(xù)墻的水平位移變化曲線

圖7 L-2 地下連續(xù)墻的水平位移變化曲線

3.3 支撐軸力分析

支撐結(jié)構(gòu)的作用是用于基坑開挖過程中平衡基坑側(cè)方土壓力的作用， 進(jìn)而抵抗擋墻的水平位移，且隨著開挖深度的增大，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的軸力逐漸增大，該基坑結(jié)構(gòu)3 道支撐的軸力變化曲線見圖8。

圖8 支撐的軸力變化

內(nèi)支撐主要是用來抵抗開挖過程中的側(cè)方土體的水平位移及推力作用，因而，隨著開挖工序的進(jìn)行，內(nèi)支撐軸力逐漸增大，在開挖的過程中，支撐結(jié)構(gòu)中的第1 道支撐軸力變化幅度較小，第2、3 道支撐軸力逐漸增大，因而在開挖過程中側(cè)方土體的水平推力主要由第2、3 道支撐承擔(dān)， 當(dāng)拆除第3道鋼支撐時，第1、2 道支撐的軸力均增大，當(dāng)拆除第2 道鋼支撐時， 第1 道支撐的軸力明顯增大，3 道支撐中在整個開挖、回填過程中，最大軸力出現(xiàn)在第1 道支撐，最大軸力為800 kN。

3.4 實測與模擬結(jié)果對比

對于基坑開挖過程中的變形、 內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測，得到的變形、內(nèi)力與模擬結(jié)果差值較小，對于第2 道鋼支撐，當(dāng)基坑開挖至基底位置時，軸力監(jiān)測值為650 kN，略大于模擬值的600 kN，均小于內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力設(shè)計值；對于基坑周邊的水平位移，最大監(jiān)測值為4.8 mm，較模擬值4.6 mm 略大，且滿足基坑開挖水平位移極限要求；對于地下連續(xù)墻的水平位移，最大監(jiān)測值為5.0 mm，較模擬值4 mm 略大，且滿足基坑開挖地下連續(xù)墻水平位移極限要求（20 mm）。

4 結(jié)論

本研究以白塘路道路工程某深基坑工程為研究對象， 通過建立該深基坑工程數(shù)值分析模型，在深基坑開挖過程中對基坑周邊土體的水平位移、基坑豎向位移、地下連續(xù)墻水平位移量、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)軸力進(jìn)行分析，并對比現(xiàn)場實測結(jié)果，主要結(jié)論如下：（1）對于兩端臨空明挖深基坑，鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁、鋼支撐、混凝土墊層相結(jié)合的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式具有較好的支護(hù)效果， 基坑整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形均處于安全穩(wěn)定的范圍內(nèi)。 （2）基坑開挖過程中主要影響基坑周邊0～17 m 范圍的土體， 距離基坑中心越近，水平位移值越大，且位移方向為向基坑內(nèi)部變形，在基坑開挖過程中，基坑底部的變形主要表現(xiàn)為基地隆起，回填過程中，基地隆起值逐漸減小。 （3）基坑開挖過程中，地下連續(xù)墻豎向位移值逐漸增大，且地下連續(xù)墻中部位置的土體的壓力值、水平方向位移值相較于兩端大，在土體回填的過程中，地下連續(xù)墻的水平位移值有所減小。 （4）支撐結(jié)構(gòu)的受力特征在基坑開挖回填過程中逐漸變化，總體呈現(xiàn)為逐漸增大的變化趨勢。 （5）對比模擬值與實測值，變形內(nèi)力結(jié)果相差不大，且均在安全穩(wěn)定值范圍內(nèi)。